ستون های تبادل یون به منظور کاهش یا حذف یون های محلول در آب اعم از کاتیونی و آنیونی به صورت انتخابی یا عمومی طراحی و ساخته می شوند. ستون های تبادل یون در قالب ستون های کاتیونی، ستون های آنیونی و بستر مختلط برای اهداف مختلف نظیر سختی گیری، قلیاییت زدایی، کاهش املاح محلول، تولید آب دیونیزه و آب فوق خالص مورد استفاده قرار می گیرند.

به کارگیری ستون های تبادل یون در صنعت تصفیه آب قدمت طولانی دارد. ماهیت برگشت پذیر بودن فرایند تبادل یون مهم ترین ویژگی رزین های تبادل یونی برای گسترش کاربرد آنها در صنعت تصفیه آب بوده است.

شرکت مهندسی فران علاوه بر تأمین رزین های تبادل یونی از برندهای معتبر جهانی، طراح و تولید کننده ستون های تبادل یونی برای مصارف مختلف سختی گیری، تولید آب دیونیزه، تولید آب فوق خالص یا حذف انتخابی یون های محلول در آب می باشد.

 

فرایند مبادله یون

فرایند مبادله یون يك فرایند تبادلي برگشت پذير ميان يون هاي کاتیونی یا آنیونی موجود در فاز مايع و يون هاي موجود در شبکه رزين هاي تبادل يوني پلیمری(گروه عاملی) بدون ايجاد تغيير در ساختار رزین های جامد مي باشد.

عبور آب یا سیال حاوی یون های کاتیونی و آنیونی با سرعت مناسب از روی رزین های تبادل یونی، امکان تبادل یون های کاتیونی و آنیونی را فراهم می کند. یون های نامطلوب توسط رزین ها جذب و یون های هم بار(کاتیون یا آنیون) در آب جایگزین می شوند. فرایند مبادله یون تا رسیدن به تعادل یونی با گروه های عاملی رزین ادامه پیدا می کند.

امروزه فرایند تبادل يوني كاربرد وسيعي در واحدهاي تصفيه آب دارد. علاوه بر کاربرد آن در فرآيندهاي جداسازي در بخش های مختلف صنعتی نیز رو به گسترش است.

 

رزین های تبادل یون

رزین های تبادل یون دانه های پلیمری هستند که از زنجیره یا ماتریسی از هیدروکربن ها تشکیل شده اند. در فضای مولکولی ماتریس پلیمری رزین، امکان تبادل یون وجود دارد. گروه‌های عاملی که یون‌های دارای بار مثبت (کاتیون‌ها) یا یون‌های با بار منفی(آنیون‌ها) هستند به ماتریس پلیمری متصل شده اند. رزین های تبادل یونی یک واکنش دهنده شیمیایی نیست، بلکه یک پلیمر آب دوست است که واکنش های تبادل یونی را میزبانی می کند.

رزین ­های تبادل یونی در رنگ های متفاوت مانند زرد، قهوه ­ای، سفید، مشکی و خاکستری تولید می ­شوند. رنگ ­های رزین بنا بر ساختار، گروه عاملی، ساختار یونی و فرایند تولید رزین متفاوت بوده و هر رنگ مختص کاربردی مشخص است. رنگ رزین هنگامی که رزین مستهلک شود، تغییر می­کند؛ میزان تغییر رنگ به درجه­ی استهلاک آن بستگی دارد.

اندازه و یکنواختی یک رزین در افت فشار و سرعت عملیات یک سیستم موثر می ­باشند.  معمولاَ رزین ­های تبادل یونی در اندازه ۰٫۲۵ الی ۱٫۲۵ میلی ­متر تولید می شوند.

 

رزین آنیونی

رزین ­های تبادل یون آنیونی به دو صورت پلیمرهای ماکرومتخلخل و ژلی تولید می شوند. رزین های آنیونی با کاربرد صنعتی، عموماً از پلیمرهای گروه آمین مثل پلی­ استایرن یا پلی آکریلیک تولید می شوند. رزین های آنیونی در فرایند تبادل، یون هیدروکسید(OH-) یا یون کلرید(Cl-) را با یون های آنیونی محلول عبوری مبادله می کنند.

رزین ­های آنیونی با توجه به قدرت تبادل یون گروه های عاملی به دو گروه رزین­ های آنیونی قوی و رزین­ های آنیونی ضعیف طبقه بندی می شوند.

 

---

شرکت مهندسی فران تأمین کننده رزین های تبادل یونی از تولید کنندگان معتبر بین المللی معتبر نظیر دوپونت(Dupont) و Lanxess و ممبران های فیلمتک Filmtec از مبادی اصلی می باشد.

---

رزین آنیونی بازی قوی(SBA)

رزین های آنیونی بازی قوی در دو فرم چرخه هیدروکسید و کلرید به دو زیر گروه نوع یک و نوع دو تقسیم می شوند که از نظر میزان تورم، پایداری شیمیایی، ظرفیت تبادل یون، دمای عملیاتی، میزان گرفتگی بستر و احیا با یکدیگر متفاوت هستند.

رزین های آنیونی قوی به همراه رزین های کاتیونی قوی در تولید آب دیونیزه و آب فوق خالص (Ultra-Pure Water) استفاده می شوند. از دیگر کاربردهای کارآمد رزین آنیونی بازی قوی به کارگیری در فرایند قلیاییت زدایی است. در این فرایند به منظور زدایش یون های کلر، آب آلوده را از بستر رزین آنیونی بازی قوی نوع دو عبور می دهند تا قلیاییت آب کاهش پیدا کند.

رزین آنیونی بازی ضعیف(WBA)

رزین های آنیونی بازی ضعیف در تصفیه آب های اسیدی قوی(حاوی یون­ های کلر، سولفات و نیترات) استفاده می شود. رزین های آنیونی بازی ضعیف در مقایسه با رزین های آنیونی بازی قوی، راندمان تبادل یون مناسبی در مورد ترکیبات آلی طبیعی با وزن مولکولی بالا دارند. ولی برای جذب یون های مختلف با وزن های ملکولی مختلف استفاده از هر دو رزین در کنار هم کارایی بالای تبادل یون را تضمین می کند.

 

رزین کاتیونی

رزین­ های تبادل یونی کاتیونی، دانه های پلیمری ریزی هستند که در نتیجه­‌ی اتصال گروه­ های عاملی یونی به یک ساختار ماتریسی ساخته می ­شوند که توانایی مبادله یون های کاتیون را دارند. رزین های کاتیونی در عملیات تبادل یونی، یون­ های هیدروژن (چرخه هیدروژنی) و سدیم (چرخه سدیمی) را جایگزین کاتیون های نامطلوب آب می کنند. این نوع رزین ­ها به دو گروه رزین کاتیونی اسیدی قوی و رزین کاتیونی اسیدی ضعیف تقسیم می ­شوند.

 

رزین کاتیونی اسیدی قوی(SAC)

رزین های کاتیونی قوی معمولاً از پلیمر پلی استایرن ساخته می شوند. قدرت تبادل یون این رزین ها عمدتاً از گروه ­های عاملی سولفونیک است. یون های کاتیونی حاضر در آب کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم طی فرایند تبادل یونی در چرخه هیدروژنی با یون های هیدروژن موجود در ساختار رزین کاتیونی قوی مبادله می شوند.

رزین کاتیونی قوی در فرم سدیمی قادر به جذب یون های عامل سختی آب است. در فرایند سختی گیری آب، هرگاه سختی موقت آب کمتر از ۴۰ درصد سختی کل باشد، می توان از فرم سدیمی رزین کاتیونی قوی به منظور جداسازی یون های کلسیم و منیزیم(یون های سخت) استفاده کرد. از رزین های کاتیونی قوی در کنار رزین های کاتیونی ضعیف در بسترهای مختلط استفاده می شود.

 

رزین­ کاتیونی اسیدی ضعیف(WAC)

رزین های کاتیونی اسیدی ضعیف در دو فرم هیدروژنی و سدیمی تولید می شوند. به دلیل عدم توانایی رزین کاتیونی ضعیف در تبادل تمامی کاتیون های موجود در آب، ترکیب آن با رزین ­های کاتیونی قوی برای افزایش راندمان تبادل یون در ستون های تبادل یونی توصیه می شود.

پایداری دمایی بالا، راندمان احیای بالا، تولید پساب کمتر در فرایند احیا و توانایی تبادل یون با یون های عامل قلیاییت از ویژگی های رزین های کاتیونی اسیدی ضعیف است.

 ستون تبادل یون

مبادله یا حذف كاتيون ها و آنيون هاي موجود در آب به طور همزمان(یا مجزا) به وسيله مخلوطي از رزين هاي تبادلي يوني كاتيوني و آنيوني در ستون های تبادل یون انجام می شود.

ستون های حاوی رزین های آنیونی( ستون آنیونی) برای مبادله یون های بار منفی محلول در آب و ستون های حاوی رزین های کاتیونی(ستون کاتیونی) برای مبادله یون های بار مثبت محلول در آب به کار می روند. ستون های بستر مختلط نیز مخلوطی از رزین های تبادل یون آنیونی و کاتیونی هستند.

شرکت مهندسی فران واحدهای تبادل یون را مشتمل بر ستون های تبادل یون کاتیونی، آنیونی و بستر مختلط را در مخازن فلزی و غیر فلزی در ظرفیت ها و کاربری های مختلف طراحی و تولید می کند.

احیای ستون های تبادل یون

ستون های تبادل یون حاوی رزین های کاتیونی و آنیونی، ظرفیت مبادله یون محدودی دارند. با توجه به محدود بودن ظرفیت رزین های تبادل یون، توانایی تبادل یون رزین در طول مدت عملیات کاهش یافته و رزین بعد از مدتی اشباع می شود.

زمانی که ظرفیت تبادل یون به طور کامل تکمیل شود، رزین ها قابلیت تبادل یون را از دست داده و نشت یون های کاتیونی و آنیونی نامطلوب افزایش میابد. رزین های اشباع شده با استفاده از محلول کلرید سدیم، اسید یا محلول بازی که حاوی یون اصلی تشکیل دهنده رزین باشد، احیا می شوند.

محلول احیاکننده را با میزان مناسب و غلظت  بالا از بستر رزین عبور می دهند تا تبادل معکوس، دفع و جایگزینی یون های از پیش مبادله شده، مابین رزین و محلول احیاکننده رخ دهد.

 طراحی ستون های مبادله شده یون

طراحی بهینه واحدهای تبادل یون مستلزم وجود داده های طراحی دقیق و متناسب با شرایط عملیاتی و همچنین تسلط بر دانش مهندسی تبادل یون در تصفیه آب می باشد.

بیش از شروع طراحی تعیین داده های ورودی و اطلاعات عملیاتی واحد صنعتی به شرح ذیل ضروری است:

1. تعیین حداکثر، میانگین و حداقل دبی جریان
2. ظرفیت و مجموع واحد برحسب مترمکعب برروز و مترمکعب بر ساعت
3. آنالیز آب طراحی
4. تعیین ماده شيميايي احیاء کننده

داده های ورودی طراحی در تعامل میان واحد طراحی شرکت مهندسی فران و واحد صنعتی تعیین می شود.

دبی طراحی ستون تبادل یون

تعیین دبی طراحی ستون های تبادل یونی برای حصول عملکرد بهینه بسیار حائز اهمیت است. در صورت وجود نوسانات زیاد در دبی ورودی، طراحی واحد بر اساس دبی حداکثر از منظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه نخواهد بود. در این شرایط شناسایی و تعیین دبی متوسط و در نظرگرفتن مخزن ذخیره برای ذخیره سازی آب دیونیزه شده برای شرایط پیک مصرف توصیه می شود.

توجه: کارشناسان شرکت مهندسی فران با توجه به شرایط واحد صنعتی و نیازمندی های فرایندی، دبی طراحی ستون تبادل یونی را پیشنهاد می کنند.

عملکرد مداوم (Continuous) بهترین راهبرد طراحی واحدهای تبادل یون است. روشن و خاموش شدن مکرر واحد علاوه بر کاهش راندمان عملکرد تا رسيدن به شرایط Steady، طول عمر رزین ها را نیز کاهش می دهد.

ارتباط میان شرایط عملیاتی رزین و دبی عملياتي نیز در طراحی رزین باید موردنظر قرار بگیرد. رزین های تبادل یون قابلیت مبادله یون در محدوده وسیعی از دبی های عبوری را دارند. ولی کاهش بیش از حد دبی عبوری از رزین ها همزمان با توزیع نامناسب جریان در مخزن و احتمال ایجاد کانال های عبور آب (channeling) منجر به کاهش عملکرد و کارایی ستون تبادل يون خواهد شد.

 

زمان طراحي براي چرخه تبادل يون

زمان چرخه عملياتي برای هر جفت ستون هاي تبادل يون کاتیوني و آنیوني با آناليز آب، دبی و تعداد جريان ها تعیین می شود. در مواقعي كه حصول قابليت اطمينان(Reliability)‌ بالا براي تأمين آب ديونيزه واحد صنعتي نياز باشد،‌ پيش بيني ستون تبادل يون stand by‌ ضروري است. این اقدام سبب می شود که در شرايط تعميرات يا خارج سرويس بودن ستون مبادله يون،‌ تأمين آب ديونيزه و عمليات واحد متوقف نشود.

در صورتي كه از طراحي هاي خاص با زمان چرخه عمليات پايين صرف نظر كنيم. در طراحي كلاسيك ستون هاي مبادل يون معمولاً زمان چرخه عمليات بین ۸ تا ۱۲ ساعت براساس آنالیز انتخاب مي شود. زمان مورد نياز چرخه عمليات تبادل يون براي آب هايي كه TDS پاييني دارند،‌ طولانی‌تر خواهد بود. برای چنین آب هایی زمان عملیات معمولا ۲۴ ساعت انتخاب مي شود.

در دبي هاي توليد بالا در نظر گرفتن تركيب ۲×%۱۰۰ از لحاظ اقتصادي ممكن است به صرفه نباشد. در اين شرايط استفاده از تركيبهاي ۳×۵۰% ، ۴× %۳۳ (کار)  يا ۵×%۲۵  توصيه مي شود.

احياي ستون هاي مبادله يون کاتیوني و آنیوني در کمتر از ۲ ساعت امكان پذير است. در صورتي كه از احياي همزمان استفاده شود، امكان كاهش زمان احيا نيز وجود دارد. ولي احياي بسترهای مختلط به دليل پيچيدگي زمان بالاتري طلب مي كند. براي احياي بسترهاي مختلط معمولاً پيش بيني ۲ تا ۳ ساعت زمان نياز است.

 

مبانی طراحی ستون های تبادل یونی

تعيين آنالیز آب در بدترين شرايط و متوسط عملياتي برای انتخاب کردن زمان چرخه عملیات تبادل يون حايز اهميت است. اگر  TDS آب خام بالا باشد، انتخاب زمان چرخه کوتاه مناسب نيست. زيرا در آن صورت زمان بین احياي رزين بسیار کوتاه است. در اين شرايط زمان چرخه عمليات بايد حداقل ۸ ساعت انتخاب شود.

آنالیز آب خام و غلظت يون هاي محلول باید دقيق و متوازن باشد. اين بدان معناست كه مقدار غلظت کاتیون‌ ها و آنیون ‌ها که به صورت mg/l CaCO3 یا بر حسب meq/l بیان می‌ شوند باید مشابه (حداكثر ۵% اختلاف) داشته باشند.

طراحي واحد تبادل يون براساس بدترين شرايط آب خام از منظر غلظت يون هاي محلول انجام مي شود. اما اگر بدترين شرايط آب به ندرت به وجود مي آيد، متوسط غلظت يون هاي محلول را مي توان  به عنوان شاخص طراحي ملاك عمل قرار داد.

 

شرکت مهندسی فران با بیش از ۱۷ سال سابقه در صنعت تصفیه آب و پساب، ارائه کننده خدمات طراحی و ساخت آب شیرین کن های صنعتی و واحدهای تبادل یون برای مصارف مختلف صنعتی است.